Dispositivi elettro-ottici, acusto-ottici e magneto-ottici

Presentazione sul tema: "Dispositivi elettro-ottici, acusto-ottici e magneto-ottici"— Transcript della presentazione:

1 Dispositivi elettro-ottici, acusto-ottici e magneto-ottici
si veda: B. E. A. Saleh, M.C. Teich: “Fundamentals of Photonics”, (il libro è disponibile in biblioteca)

2 MODULAZIONE DI SORGENTI OTTICHE
In un sistema di telecomunicazioni ottiche l’informazione è codificata su una portante ottica Modulazione di sorgenti ottiche: Diretta (la luce emessa da diodi laser o LEDs viene modulata modulando la corrente della giunzione)  semplice  velocità relativamente limitata (fino GHz) Esterna (la sorgente emette una intensità luminosa costante. La modulazione avviene in un materiale esterno alla sorgente, del quale è possibile modificare le proprietà ottiche)  modulatore ingombrante e non facilmente integrabile  velocità elevata (100 GHz) modulatori (principalmente usati): elettro-ottici (variaz. dell’indice di rifraz. per effetto di un campo elettrico) acusto-ottici (variaz. dell’indice di rifraz. per effetto di uno stress)

3 EFFETTO ELETTRO-OTTICO
Effetto elettro-ottico : variazione (molto piccola, es: 10-5) dell’indice di rifrazione di vari materiali, per effetto di un campo elettrico lineare  n  E (effetto Pockel) quadratico  n  E2 (effetto Kerr) Tipici materiali elettro-ottici: - quarzo SiO2 - Niobato di Litio LiNbO3 - Tanatlato di Litio LiTaO3 - Arseniuro di Gallio GaAs - Calcite CaCO3 - Telluluro di Cadmio CdTe - Bifosfato di Potassio (KDP) KH2PO4 - Bifosfato di ammonio (ADP) NH4H2PO4

4 modulatore trasversale (cella di Pockels)
Modulatori elettroottici (modulatore di fase) E E modulatore trasversale (cella di Pockels) modulatore longitudinale La cella viene realizzata mediante un materiale elettroottico (indice di rifrazione funzione del campo elettrico E) campo elettrico applicato: E= V/d fascio incidente: E = E0 cos (wt+ j ) dove: j = b L = n(E) K0 L la fase j del fascio che si propaga dipende dal campo elettrico, cioè dalla tensione applicata j = [2 p n(E) /lc] L

5 Modulatore di intensità elettro-ottico
Un modulatore di fase, posto in un ramo di un interferometro, può produrre una modulazione di intensità:

6 Interferometro di Mach-Zehnder
Il fascio luminoso in ingresso viene diviso ugualmente sui due rami (50% + 50%). Uno dei due fasci viene sfasato rispetto all’altro di una entità j Il divisore di fascio in uscita ricombina i 2 fasci. divisori di fascio Io Ii j j = j1 - j2 L’intensità trasmessa Io , in funzione dell’intensità Ii incidente, è data da: Io = (1/2) Ii + (1/2) Ii cos j da cui: Io = Ii/2 (1+ cos j) applicando le formule di duplicazione, si ha: Io = Ii cos2 (j/2) Io è funzione di j, quindi ( nel caso in cu nel 2° ramo vi sia un modulatore di fase) Io dipende da V = Io/Ii = cos2 (j/2) Formule di duplicazione: cos 2a=2cos2a da cui: (1+cos2a)=2cos2a nel nostro caso: (1+cos j) = 2cos2 (j/2)

7 MODULATORI DI FASE OTTICO INTEGRATO
I modulatori elettro-ottici possono anche essere costruiti sotto forma di dispositivi ottici integrati. Questi dispositivi possono funzionare a velocità maggiori e con tensioni più basse rispetto ai dispositivi “bulk” (LiNbO3) La guida ottica viene realizzata su di un substrato elettroottico (LiNbO3) mediante diffusione in esso di un materiale opportuno (es. titanio) per aumentarne localmente l’indice di rifrazione

8 MODULATORE DI INTENSITA’ O SWITCH OTTICO INTEGRATO

9 Modulatore di intensità a cella di Pockels

10 Modulatori elettroottici a cristalli liquidi

11  switching time  basso (msec  msec)
Modulatori elettroottici a cristalli liquidi Cristalli Liquidi: Sistemi fortemente anisotropi  molecole allungate o piatte vari tipi comunemente usati  nematici “twisted”  switching time  basso (msec  msec) Per TLC  necessarie velocità > GHz  switching time  10  100 psec

12 MODULATORI ACUSTO-OTTICI
Sono basati sull’interazione suono-luce Ad es: si consideri l’effetto di un’onda acustica piana su un gas: L’onda acustica provoca una variazione periodica dell’indice di rifrazione

13 Diffrazione di Bragg un’onda acustica piana provoca la riflessione parziale della luce se è soddisfatta la condizione di Bragg: sen  = l /(2 ) dove: l è la lunghezza d’onda della luce nel mezzo

14 Condizione di Bragg onda luminosa incidente   onda luminosa riflessa sia l la differenza di percorso tra due percorsi dell’onda. Tale differenza è data da: l = 2  sen  si ha un massimo nell’onda luminosa riflessa se due contributi dell’onda danno interferenza costruttiva, cioè se la differenza dei loro percorsi è un multiplo intero della lunghezza d’onda (si ritrovano in fase). Ovvero se: 2  sen  =j l (j = 1, 2, .... n) per j=1, si ha interferenza costruttiva se: sen  = l /(2 ) (condizione di Bragg)

15 Schema di modulatore acusto-ottico
l’intensità della luce riflessa è proporzionale all’intensità del suono

16 Schema di switch acusto-ottico
intensità del suono: on-off intensità della luce riflessa: on-off

17 Isolatori ottici F = V H l cos g
Alcuni materiali agiscono come ruotatori della polarizzaione di un’onda che li attraversa, quando vengono posti in un campo magnetico statico (Effetto Faraday, o magneto-ottico) Angolo di rotazione dato da: F = V H l cos g F = angolo di rotazione della polarizzazione H = campo magnetico applicato g = angolo fra la direz. del campo magnetico e la direz. di propagaz. del raggio luminoso l = lunghezza del materiale V = costante di Verdet del materiale Senso di rotazione: dipende dalla direzione del campo magnetico se la luce attraversa un rotatore, quindi si riflette e lo attraversa di nuovo nella direzione opposta, la rotazione raddoppia.

18 Materiali magneto-ottici:
Isolatori ottici Materiali magneto-ottici: - granati [Ittrio Ferro (YIG); Terbio-gallio (TGG); Terbio-alluminio (TbAlG)] - NaCl ; ZnS Applicazioni degli isolatori ottici: - Gli isolatori trasmettono la luce in una sola direzione. Si pongono, quindi, all’uscita della cavità risonante dei laser per evitare che eventuali riflessioni tornino, dall’esterno, dentro la cavità

19 Isolatore ottico Trasmette la luce in una sola direzione e la blocca nell’altra Tipica attenuazione inversa di isolatori YIG o TGG: 90 dB